0 引 言

仿人机器人的研究在我国起步较晚，整体技术很大一部分依靠国外引进，自从2000年我国第一台自主研发的仿人机器人成功运行后，各大科研机构纷纷投入到开发研究仿人步行机器人的大潮流中，从四自由度到六自由度，从步态模拟到交叉足步，机器人的仿生已然成熟.而本课题在满足机器人基本行动要求的前提下，保持自由度数目不变，进一步改进机构形式，使用特定电机完成原本两个电机才能完成的工序，提高自由度利用率与整体强度.

SWOT分析法，即态势分析法，就是将与研究对象密切相关的各种主要内部优势、劣势和外部的机会和威胁等，通过调查列举出来，并依照矩阵形式排列，然后用系统分析的思想，把各种因素相互匹配起来加以分析，从中得出一系列相应的结论[3]。

由图8分析可知，随着氯化钠用量的增加，溶液中金的浸出率增加，说明溶液中氯化钠用量越多越有利于[AuCl4-] 的形成，但总体增幅不大，曲线趋于平缓。当氯化钠用量为0.5～0.8 mol/L时，金的浸出率为98.41%～98.54%；当氯化钠用量为1.0 mol/L时，金的浸出率相对提高较大，浸出率为98.72%；当氯化钠用量为1.2 mol/L时，金的浸出率提高很小，浸出率为98.75%。综合考虑金的浸出率和试验成本，最佳氯化钠用量为1.0 mol/L，此时金的浸出率为98.72%。

1 结构设计

1.1 整体运动形式

该型机器人运动过程为仿人步行形式，整个动作的顺序是机器人左胯—左脚—偏心—右胯—右脚，其中偏心动作的目的是使机器人保持行走重心，以免摔倒.机器人的整个运动是靠单片机控制直流电机完成的，机械结构主要包括肢干机构和侧摆机构，控制电路采用51系列单片机实现，整体框图如图1所示.

  

图1 整体框图

1.2 肢干机构设计

该机器人肢干机构为平行四杆机构，其中上下两杆为平板状，主动轮围绕从动轮做行星运动，其运动轨迹与四杆中的曲柄运动轨迹形成一对同心圆，故可以实现实时控制的平行运动.利用此平行四杆机构可以实现在自由度数目不变的情况下，去掉一个常规机器人脚踝处的电机，降低功耗的同时可以完成相同的功能.其次，常规机器人脚踝处电机在偏心时受到的负载力矩相当大.与之相比，该机构消除了负载对电机的径向力，减轻了电机的负担，大大增强了机器人的负载能力，且节约电机.平行四杆机构如图2所示.

该机器人的侧摆机构负责机器人腿部的侧向偏摆，使其不断改变行走重心，该机构为行星轮组合，故在一定程度上压缩了空间，缩小了负载对偏摆电机的转矩；弹性支架在二级减速中可以起到“保险丝”的作用，当上端负载超出额定范围时，弹性支架迫使行星轮与太阳轮啮合深度增大，主动轮与行星轮产生间隙，主动轮空转，消除了抱死现象，防止烧坏电机.侧摆机构如图3所示.

  

图2 平行四杆型肢干结构

1.3 侧摆机构设计

学校羽毛球教学立足于学校“活乐教育”的教育理念，站在整体育人的高度设计课程体系，作为“乐健”课程的重要组成部分，把会生活、乐学习、健体魄、全人格、能担当、勇实践作为乐健课程目标，把培养身心健康，精力充沛，能从容不迫地应付日常生活和学习，正确认识自己，及时调整自己的心态为主要任务。通过课程的系统学习，与其余“四乐”形成合力培养完整的人，成就乐真、乐文、乐健、乐美、乐行的阳少光年。课程架构见图1。

  

图3 行星轮型侧摆结构

2 电气系统设计

2.1 直流电机驱动

IO口扩展使用74hc245芯片，它是一个受控制的8路缓冲区，主要用于数据总线的双向异步通信.为了保护脆弱的主芯片，通常在主芯片的并行接口和外部控制设备的并行接口之间添加缓冲区.

2.2 信号分时输入

由于本机器人以直流电机为驱动，为了达到满意走步效果，故需要克服直流电机无反馈，转速转矩受电压影响波动较大的弊端.因而我们在每一个执行模块前都加了3个分别代表电动机旋转不同位置的限位开关，给直流电机提供反馈.但是，此种做法增加了很多需要识别信号源的IO口，如果全部接入单片机，显然是不可能的，所以需要扩展IO口.为了保证数据输入的组合性，采用扫描按键的方式进行设置，但同时单片机接收数据的实时性就会降低.然而考虑到机械部件同样具有延时性，且延时时间远远大于单片机扫描一次的时间，因此可以采用此方法.

该机器人的运动采用直流电机进行驱动，相比常见的直立行走机器人采用舵机或是步进电机作为驱动部件而言，涡轮蜗杆式直流电机具有断电自锁功能，故本机器人在指定程序下可以做到无功耗的状态保持，步进电机等则没有此优良特性；直流电机加入限位开关后，具有一定的舵机运行特性，且其驱动能力要远远高于舵机，在大型机器人以及对负载能力要求高的机器人的设计中具有优势；直流电机做驱动一般设以一级减速，故驱动构件避免了直接与电机轴相连，造成悬臂，同时一级减速将悬臂所带来同轴度误差转化为齿轮配合误差，从而使运动更加精确，有效地保护了电机；直流电机廉价，节约成本，市场效益较高.

3 主程序设计

由于所采用的直流电机无反馈信号，所以无法找到电压与位置的关系，故采用测试机器人脉宽电路的电压信号，同时使用分段计数的方法，读取几组机器人的左胯、右胯、左脚、右脚和偏心的数据，将其以表格的形式存储，并绘制出对应的曲线，得出函数关系，然后将此关系编写成相应程序.通过改变程序中的延迟时间和外部结构复位开关的位置来调整机器人的步距，使其行走姿态平稳.主程序流程图如图4所示.

  

图4 控制主程序流程图

4 原理样机制作与结论

试制仿人步行机器人原理样机，如图5所示.该原理样机外形结构采用3D打印完成，重量轻，成本低.本文针对仿人步行机器人进行设计研究，开发出一种新型结构的直立机器人，主要包括平行四杆型肢干结构、行星轮型侧摆结构等，采用涡轮蜗杆直流电机进行驱动，其驱动能力远远高于常见的舵机，在大型机器人以及对负载能力要求高的机器人中具有优势.运行结果表明，该种机器人步态平稳、负载能力强、节省电机、故障率低、精度较高.

  

图5 仿人步行机器人原理样机

参 考 文 献

[1]宫赤坤，高丽丽.仿人机器人的设计与实现[J].机械传动，2013,(5):43～46

[2]郭雄飞.仿人服务机器人系统研究与设计[D].广东工业大学，2016

[3]于秀丽，魏世民，廖启征.仿人机器人发展及其技术探索[J].机械工程学报，2009,(3):71～75

[4]姜媛媛.基于云平台的仿人机器人远程实时控制系统设计[D].中国科学技术大学，2015

[5]李艳杰，徐继宁，王侃.仿人机器人发展现状及其腰关节的作用[J].沈阳工业学院学报，2004,(1):18～23

[6]张茂川，蔚伟，刘丽丽.仿人机器人理论研究综述[J].机械设计与制造，2010,(4):166～168

[7]孙逸超.仿人机器人控制系统设计与姿态控制方法[D].浙江大学，2014

[8]朱秋国，伍浩贤，吴俊等.基于三连杆动力学模型的仿人机器人站立平衡控制[J].机器人，2016,(4):451～457

[9]杨斌，苏剑波.仿人机器人的分布式控制系统设计[J].控制工程，2010,(1):102～105

[10] Runge C F,Shupert C L,Horak F B,et al.Ankle and hip postural strategies defined by joint torques[J].Gait and Posture,1999,10(2):161～170